Туннельдік эффект және сканерлеуші туннельді микроскоптың жұмыс қағидалары

Cканерлеуші туннелді эффект XVII ғасырда-ақ И. Ньютон физика тарихында елеулі рөл атқарған классикалық механика заңын ашты. Классикалық механика әлі де ғылымдардың ішіндегі ең көрнекісі болып табылады. Алайда біздің қарастырып отырған нанотехнология мүлдем басқа ғылымға жатады. Ол - микроскопиялық әлем. Мұндағы пайда болатын өзгеріс біздің түсінігіміздегі көрнекілік пен ақиқаттылықты жоғалтады. Яғни бұны молекулалар мен атомдардың механикасымен анықталатын заң деп қарастыруға болады. Мысалы, біз электронды доп немесе шарик деп алсақ, онда осы доптың қабырға арқылы өтетін қандай бір эффектісін бақылауға болады. Бұл ерекше кванттық көрініс «туннелді эффект» деген атау алды және біз білетін классикалық физикада ешқандай аналогы жоқ. Алайда туннелді эффект XX ғасырда дамып келе жатқан атомдардың кванттық механикасында ең табиғи және

түсінікті эффект болып табылады. Бұл эффектті теориялық тұрғыда 1928 жылы атақты физик Г. Гамов болжаған ( кейін ол космологиядағы Улкен Жарылыс деп аталатын көпшілікке белгілі теорияны ұсынды) . Ядролық физикадағы альфа-ыдырау деген түсінікті енгізу үшін Гамов туннелді эффектіге болжам жасаған. Бұл көрініс атомдар бір-біріне жақындағанда байқалады және атом электрондары жеткілікті энергияны иелене алмай өздерінің қабыршақтарын тастап кетеді. Мұндай алмасудың мүмкіншілігі электрондардың «толқынды табиғатымен» түсіндіріледі, ал енді эффектінің бұлай аталу себебі классикалық физика тұрғысынан қарағанда эффект мүлдем түсініксіз және сырттан бұл көрініс былай көрінеді: электрон қабырғадан қандай да бір туннель тауып, сол арқылы секіреді (қабырға ретінде ядроның электростатикалық потенциалын алады) .

Процесстің нақтылығы кванттық механика заңы тұрғысынан анық көрінеді. Сонымен қатар электрон бір мезетте толқын ретінде де, бөлшек ретінде де қарастырылады. Электронның толқындық қасиеті энергетикалық басымырақ болуына әсер етеді (1-сурет) . Осындай электрондар көп болған жағдайда туннелді ток жайлы да сөз қозғауға болады Туннелді эффект бұрыннан бері ғылым мен техникада кеңінен қолданылып келеді. Қазіргі уақытта бұл эффект магнитті дискілердің жоғары сезімталды таспаларында (TMR) , сканерлеуші туннелді микроскоптарда ( STM), ядролық физикадағы құрылғыларда және т. б. қолданылады.

Сканерлеуші туннелді микроскоптың жұмыс істеу принципі Ең алғаш рет сканерлеуші туннелді микроскопты Швейцарияның Цюриха деген жеріндегі ИБМ фирмасының лабораториясындағы жұмысшылар Г. Бининг мен Г. Рорер құрастырған. Оның жұмыс істеу принципі жоғарыда айтылып кеткен туннелді эффектіге негізделген. Сканерлеуші туннелді микроскоптардың ең басты элементі жоғарғы бетте қозғалатын өте жіңішке зонд (кейде оны ине деп те атайды) болып табылады. Зонд пен жоғарғы беттің арасында электрлік кернеу орналасқан. Нәтижесінде туннелді ток пайда болады. Сонымен қатар зонд үлгіден 1мкм (106 м) ара қашықтықта болуы керек. Себебі ол туннелді токтың пайда болуы мен тұрақты ұсталып тұруының шарты болып келеді. Егер ара қашықтық 1мкм-ден аз болса, онда қарапайым типтегі электрлік ток пайда болады, ал егер 1мкм-ден жоғары болса, онда туннелді ток тым майда болып кетеді. Зондтың жағдайы туннелді токтың кейбір табылған мәндеріне сай анықталады. Теледидардың электронды түтігінің сәулесіндей бетті сканерлегенде эксперимент жүргізуші беттік жағдайдың жоғары сапалы көрінісін бақылайды

Нағыз құрылғыларда эксперимент жүргізушілер өте жіңішке атомды зондтарды емес арнайы керамикадан жасалған пьезоэлементтерді қолданады. Ондағы электрлік кернеудің өзгерісі механикалық ығысуға әкеліп соғады. Мұндай пьезоэлементтер электрлік дыбыстарды механикалық тербелістерге «ауыстыру» қажет болған жағдайда тұрмыстық техникада да кеңінен қолданылады . 9-суретте сканерлеуші туннелді микроскоптың принципиалдық схемасы келтірілген